葛正浩, 元慶凱, 田普建, 董學(xué)敏

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

我國(guó)擁有非常豐富的竹類(lèi)資源，竹林面積占世界的1/4，素有“竹類(lèi)王國(guó)”的美稱(chēng)[1].竹制用品在生活中隨處可見(jiàn)，但是竹材加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量加工剩余物，在竹地板、竹涼席和竹制日用品的生產(chǎn)中，竹材的利用率低于40%，有60%以上的竹材在加工過(guò)程中變成了加工廢料[2].竹材加工剩余物的利用已成為竹材加工企業(yè)非常關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，也是加工過(guò)程中的技術(shù)難題.采用竹粉作為塑料的填充材料[3]不但解決了竹材加工廢料的利用問(wèn)題，而且可以減少塑料和木材的消耗量，降低塑料制品的價(jià)格，減少對(duì)于木材的依賴(lài)性.

作為增強(qiáng)材料的玻璃纖維對(duì)于塑料性能具有重要的影響，在制品的制備中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用.在竹塑復(fù)合材料制備過(guò)程中，如何進(jìn)一步提高復(fù)合材料的性能一直是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題.對(duì)于竹塑復(fù)合材料，玻璃纖維也具有重要的影響[4]，本試驗(yàn)研究了不同玻璃纖維含量對(duì)竹塑復(fù)合材料性能的影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

聚丙烯：T30S，蘭州石化；竹粉：40目；馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯：寧波能之光新材料有限公司，GPM 200A；玻璃纖維：巨石集團(tuán)有限公司；硅烷：KH-550 γ-氨丙基三乙氧基硅烷.

1.2 試驗(yàn)儀器

微機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī):深圳市新三思材料檢測(cè)有限公司；電子懸臂梁沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī):承德市金建檢測(cè)儀器有限公司,XJUD-5.5；TT1全自動(dòng)塑料注射成型機(jī):東華機(jī)械公司；塑料擠出機(jī):TE系列雙螺桿擠出機(jī)，科倍隆科亞(南京)機(jī)械有限公司；干燥箱：上海實(shí)驗(yàn)儀器總廠，202-2型.此外，還有混合機(jī)、天平和篩網(wǎng)等設(shè)備.

1.3 復(fù)合材料的制備

用60目篩網(wǎng)分撿出竹粉中的雜質(zhì)，然后將竹粉和玻璃纖維放入干燥箱中，在105 ℃下干燥24 h，去除其中的水分和揮發(fā)物，將硅烷噴灑在竹粉和玻璃纖維表面.

將聚丙烯、馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯、竹粉和其他助劑按比例加入高速混合機(jī)中，攪拌5 min，速度為300 r/min，然后用雙螺桿擠出機(jī)造粒，擠出溫度為175 ℃，最后用注塑機(jī)制備出試樣.

1.4 性能測(cè)試

按照GB/T 1040.2-2006，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上以10 mm/min的速度對(duì)試樣施加拉伸載荷，直到試樣斷裂.記錄試樣承受的最大力，然后按照以下公式計(jì)算試樣的拉伸強(qiáng)度(MPa):

式中b為試樣寬度，10 mm;d為試樣厚度，4 mm;P為試樣的最大拉伸載荷，N.

斷裂伸長(zhǎng)率按照以下公式計(jì)算：

式中L0為試樣的原始標(biāo)線距離，mm;L為試樣斷裂時(shí)的距離，mm.

用電子懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)按照國(guó)標(biāo)GB/T 1843-2008測(cè)試試樣在高速?zèng)_頭作用下產(chǎn)生塑性變形或破壞吸收的能量，然后按照以下公式計(jì)算試樣的無(wú)缺口沖擊強(qiáng)度(kJ/m2):

式中E為試樣產(chǎn)生變形或破壞吸收的能量，J.

在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上控制壓頭以2.0 mm/min的速度運(yùn)動(dòng)，使試樣發(fā)生彎曲.記錄試樣發(fā)生破壞或撓度達(dá)到6 mm時(shí)的最大載荷值，然后按照以下公式計(jì)算彎曲強(qiáng)度:

式中P為載荷值，N;L為試樣的跨度，40 mm.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 玻璃纖維含量對(duì)竹塑復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的影響

圖1 玻璃纖維含量對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響 圖2 玻璃纖維含量對(duì)斷裂伸長(zhǎng)率的影響

圖3 玻璃纖維含量對(duì)沖擊強(qiáng)度的影響 圖4 玻璃纖維含量對(duì)彎曲強(qiáng)度的影響

玻璃纖維對(duì)于竹塑復(fù)合材料的力學(xué)性能具有顯著的增強(qiáng)作用，加入10%玻璃纖維時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值，比不加玻璃纖維提高了52%，沖擊強(qiáng)度提高了8.4%；加入5%玻璃纖維時(shí)，彎曲強(qiáng)度達(dá)到最大值，較不加玻璃纖維提高了11%.

2.2 掃描電鏡分析

復(fù)合材料的破壞主要表現(xiàn)為玻璃纖維的斷裂和玻璃纖維與聚丙烯界面之間的脫粘.由圖5和圖6可以清晰地看見(jiàn)暴露在材料以外的纖維，說(shuō)明玻璃纖維與復(fù)合材料之間的連接斷裂，即玻璃纖維與復(fù)合材料界面之間的脫粘是一種主要的破壞形式.除此之外，可以清晰地看見(jiàn)玻璃纖維的圓形截面，證明玻璃纖維的斷裂也是一種破壞形式.

圖5 玻璃纖維含量為20%時(shí)的斷口 圖6 玻璃纖維含量為10%時(shí)的斷口

玻璃纖維、竹纖維、聚丙烯分子之間形成了一個(gè)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，微小的竹纖維填充在網(wǎng)格的空隙中，玻璃纖維的加入起到了加固竹纖維的作用.在拉伸和彎曲載荷的作用下，由于網(wǎng)格的作用，玻璃纖維成為主要的承載體，竹纖維所受的載荷較小，所以復(fù)合材料的拉伸和彎曲強(qiáng)度有較大的提高，當(dāng)載荷達(dá)到臨界值時(shí)，玻璃纖維與聚丙烯分子之間的連接逐漸斷裂，造成強(qiáng)度逐漸降低.對(duì)于材料的沖擊強(qiáng)度而言，當(dāng)加入玻璃纖維時(shí)，玻璃纖維吸收沖擊作用的能力較強(qiáng)，玻璃纖維和竹纖維都是承載體，所以試樣的沖擊強(qiáng)度提高，當(dāng)含量增大到一定值時(shí)，玻璃纖維與竹粉之間并沒(méi)有有效的連接，多余的玻璃纖維祈起到了割裂復(fù)合材料基體的作用，所以表現(xiàn)為沖擊強(qiáng)度降低.

在硅烷和馬來(lái)酸酐接枝聚丙烯的作用下，聚丙烯的分子鏈與玻璃纖維和竹粉形成了一個(gè)彼此相互關(guān)聯(lián)的三維網(wǎng)格，在拉伸和彎曲載荷的作用下，當(dāng)高分子鏈段試圖發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，鏈段間的玻璃纖維增加了與其他分子鏈段之間的關(guān)聯(lián)性，阻礙了分子鏈的移動(dòng)，表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度的提高.另一方面，分子鏈一旦突破玻璃纖維的阻礙發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)，玻璃纖維與分子鏈之間的連接也就斷裂，所以試樣的破壞表現(xiàn)為玻璃纖維與聚丙烯分子之間的脫粘.玻璃纖維的含量越大，對(duì)分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻礙越強(qiáng)，試樣的斷裂伸長(zhǎng)率越小，使得材料的脆性和強(qiáng)度提高.隨著玻璃纖維含量的增加，聚丙烯所占比重逐漸減少，玻璃纖維與竹粉之間逐漸形成了一些微小的空隙，因此力學(xué)性能有下降的趨勢(shì).

當(dāng)玻璃纖維的含量較小時(shí)，分子鏈段移動(dòng)需要克服的能量較小，此時(shí)玻璃纖維斷裂、聚丙烯與竹粉之間的脫粘是主要的破壞形式.當(dāng)玻璃纖維含量增加時(shí)，聚丙烯所占比重逐漸減少，玻璃纖維與聚丙烯之間的脫粘則成為主要的破壞形式.

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)玻璃纖維可以明顯地提高復(fù)合材料的拉伸、沖擊和彎曲強(qiáng)度.

(2)當(dāng)玻璃纖維含量在10%左右時(shí)，竹塑復(fù)合材料的拉伸、沖擊和彎曲性能最好.

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭丹丹,劉玉環(huán).竹廢料開(kāi)發(fā)利用探討[J].福建林業(yè)科技，2005，32(2)：39-41.

[2] 羅新湘，文瑞明.竹材加工剩余物開(kāi)發(fā)利用研究述評(píng)[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，13(3)：24-28.

[3] 王清文，王偉宏. 木塑復(fù)合材料與制品[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4] 崔益華, Noruziaan Bahman, Lee Stephen，等. 玻璃纖維/木塑混雜復(fù)合材料及其協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)[J].高分子材料科學(xué)與工程，2007，22(3)：56-58.